DE4320484A1 - Steuerbares Supraleiter-Bauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein neuartiges Dünnfilm-Bauelement auf Supraleiterbasis mit aktiver Steuer- und Verstärkerfunktion. Soweit heute erkennbar, liegen An­ wendungen der Erfindung hauptsächlich in der Mikroelektronik, Kommunikati­ onstechnik, Mikrowellentechnik und Datenverarbeitung.

Mit der Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleiter (HTSL), welche noch bei Temperaturen oberhalb von 77 K (Siedepunkt von Stickstoff) eingesetzt wer­ den können, sind neue Aussichten zur Realisierung von verlustarmen, schnel­ len elektronischen Schaltungen entstanden. Während die herkömmlichen Nie­ dertemperatur-Supraleiter (NTSL) eine aufwendige Kühlung bis nahe am abso­ luten Nullpunkt erfordern und damit in der Anwendung sehr eingeschränkt sind, eröffnet der Betrieb bei Stickstofftemperaturen ein ungleich größeres Einsatz­ spektrum. Im übrigen werden auch andere hochwertige Bauelemente auf Basis von Halbleitern (HL), wie rauscharme Detektoren oder Höchstfrequenz-Schal­ tungen, in diesem Temperaturbereich betrieben, um ihre volle Leistungsfähig­ keit nutzen zu können.

Aufgrund der besonderen Transportmechanismen bieten Supraleiter (SL) grundsätzlich für den Einsatz in elektronischen Schaltungen sehr interessante Vorteile: hohe Stromtragfähigkeit, kleinste Leiterquerschnitte, sehr niedrige Verlustleistungen bis hin zu höchsten Frequenzen, u. a. Andererseits steht dem Aufbau von Schaltungen auf Supraleiterbasis ein elementares Problem entge­ gen: aktive, steuerbare Elemente, sogenannte Trioden oder "Three Terminal Devices", entsprechend dem Halbleiter-Transistor, sind mit Supraleitern bis­ lang nicht in konkurrenzfähiger Form realisierbar, so daß ihr Potential nur in beschränktem Umfang nutzbar ist. Zwar lassen sich aus SL hochwertige Einzelelemente wie Leiterbahnen, Induktivitäten, Resonatoren, Antennen etc. herstellen, diese müssen jedoch in einer relativ aufwendigen Hybridschaltung mit den aktiven HL-Elementen verbunden werden, so daß insgesamt kein überzeugender Vorteil entsteht.

Von den verschiedenen bekannten Hilfskonstruktionen, SL-Eigenschaften durch magnetische Felder, durch Temperatureinflüsse, durch Bestrahlung u.ä. zu steuern, sei hier abgesehen, da sie entweder zu langsam sind, keine positi­ ve Verstärkung zulassen, nicht miniaturisierbar sind oder aus sonstigen Grün­ den sich nicht als Elektronik-Komponente in Analogie zum Transistor verwen­ den lassen.

Solange der Einsatz der Supraleiter auf den Tiefsttemperaturbereich (NTSL) beschränkt war, ist dieses Manko aufgrund fehlender Anwendbarkeit nicht be­ sonders in Erscheinung getreten. Mit der Verfügbarkeit der HTSL hat sich die Situation völlig verändert, zum einen, da jetzt erstmals der kombinierte Betrieb zusammen mit gekühlten Halbleiter-Schaltungen auf einem Temperaturniveau möglich ist und zum anderen, da weiterführend rein supraleitende Schaltungen mit solchen gekühlten HL-Schaltungen in Konkurrenz treten könnten. Bekannt­ lich sind seitdem zahlreiche Forschungsaktivitäten zur Entwicklung des "Supratransistors" , des "Super-FET" oder ähnlicher Elemente angestoßen worden.

Die Schwierigkeiten, die sich der Realisierung aktiver Supra-Elemente entge­ genstellen, sind wohlbekannt. Ein primäres Problem besteht darin, daß die in Halbleiterstrukturen genutzten Mechanismen auf Raumladungs- und Feldeffek­ ten beruhen, welche bei Supraleitern grundsätzlich nicht in vergleichbarer Form auftreten; es müssen also, völlig andere Steuermechanismen entwickelt und eingesetzt werden.

Ein zweites, gravierenderes Problem liegt in der Technologie der neuen Supra­ leiter. Sie bestehen aus oxidischen Substanzen mit komplexer Kristallstruktur (z. B. YBa₂Cu₃O₇) und erfordern spezielle Beschichtungsverfahren, welche bei hohen Temperaturen (bis 800°C) und streng kontrollierten Umgebungsbedin­ gungen ablaufen. Die Herstellungsbedingungen sind so kritisch, daß der Auf­ bau von Mehrlagenstrukturen, als Voraussetzung für integrierte Schaltungen, bis heute äußerst schwierig ist. Selbst das Übereinanderlegen von zwei perfek­ ten SL-Schichten mit dazwischenliegender Isolatorschicht, z. B. für gewöhnliche Leiterbahnüberkreuzungen, bereitet erhebliche technologische Probleme und ist bislang nur in Einzelfällen und an kleinsten Flächen gelungen.

Die Aufgabe, die sich der Erfindung stellt, besteht demnach darin, ein elektro­ nisches Bauelement auf Basis von Supraleitern, insbesondere HTSL, zu schaf­ fen, das es erlaubt, mittels einer Steuerelektrode (Gate) den Stromfluß bzw. die Spannung zwischen den beiden anderen Elektroden direkt zu beeinflussen. Das neue Element soll sich hinsichtlich seiner Struktur, Größe und Herstel­ lungstechnik als Komponente von integrierten Mikroelektronik-Schaltungen eignen und die bekannten Vorteile von Supraleitern (niedrige Impedanz, ge­ ringe Verluste, kleine Spannungspegel, dispersionsfreie Hochfrequenz- Übertragung etc.) mit der möglichen Funktion des Schaltens, des Steuerns oder der Signalverstärkung verknüpfen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Dünnschichtelement gelöst, dessen prinzipieller Aufbau in Fig. 1 dargestellt ist. Auf einem geeigneten Substrat wird zunächst nach den bekannten Methoden eine SL-Schicht abge­ schieden und strukturiert. Auf einem Teil der SL-Schicht wird eine spezielle, zunächst quasi-isolierende Schicht (Konversionsschicht) abgeschieden und darüber eine Metall-Elektrode (Gate) gelegt. Der beschriebene Schichtaufbau könnte demnach als MIS-Element (Metall-Isolator-Supraleiter) bezeichnet werden. Neu im Sinne der Erfindung ist es, durch Elektronentransfer über das Gate reversibel eine Veränderung der Leitfähigkeit um mehrere Größenordnungen in der sehr dünn ausgeführten Konversionsschicht hervorzurufen, wodurch die Transporteigenschaften in dem angrenzenden Supraleiter gesteuert werden können.

Vereinfacht ausgedrückt, findet ein Isolator-Metall-Übergang in der Konversionsschicht statt, für den verschiedene physikalische Mechanismen denkbar sind. Als ursächlich für die Steuerung der Eigenschaften des Supraleiters ist jedoch in jedem Fall die drastische Leitfähigkeitsänderung in der an den Supraleiter angrenzenden Konversionsschicht anzusehen. Im ein­ fachsten Fall kann die Leitfähigkeit durch Tunneln von Elektronen in das Lei­ tungsband der Konversionsschicht gesteuert werden, wobei zwischen Gate und Supraleiter eine Spannung von mehreren Volt, nahe an der Durchbruch­ spannung der Konversionsschicht, angelegt wird.

Für die Konversionsschicht besonders geeignet erscheinen Materialien, von denen bekannt ist, daß sie einen Isolator-Metall-Übergang in Form eines Pha­ senübergangs durchmachen (N. F. Mott, E. A. Davis: Electronic Processes in Non-Cristalline Materials; Clarendon Press Oxford (1971), S. 121 ff.). Beispiele für derartige Phasenübergänge finden sich u. a. bei Verbindungen der Übergangsmetalle, z. B. bei Oxiden des Vana­ diums, des Wolframs, des Niobs, des Titans etc., sowie bei deren Mischoxiden. Äußeres Merkmal dieser Stoffe ist, daß durch Temperatureinfluß eine drastische Änderung der elektronischen Leitfähigkeit hervorgerufen wer­ den kann. Oberhalb einer bestimmten Sprung- oder Übergangstemperatur ist in der Regel die metallische Phase mit guter Leitfähigkeit und bei tieferen Temperaturen eine isolierende oder halbleitende Phase mit wesentlich gerin­ gerer Leitfähigkeit existent. Der Phasenübergang kann die Folge einer ge­ wöhnlichen Änderung der Kristallmodifikation sein, es ist jedoch auch möglich, daß er primär durch eine Veränderung der elektronischen Bandstruktur des Kristalls hervorgerufen wird, wobei die Gitterstruktur im wesentlichen erhalten bleibt. Als Beispiel sei der sogenannte Anderson-Übergang (P. W. Anderson, Phys. Rev. 111, 1029 (1958)) genannt, der durch Delokalisierung von Ladungsträgern zustande kommt. Die freigesetzten Ladungsträger bevölkern das Leitungsband und erzeugen eine starke Zunah­ me der Leitfähigkeit. Die Delokalisierung kann am einfachsten durch thermi­ sche Aktivierung hervorgerufen und beobachtet werden, ist aber grundsätzlich nicht darauf beschränkt. Für die Konversionsschicht im Sinne der Erfindung kommen aus dieser Stoffklasse ausschließlich Materialien mit elektronisch bedingtem Phasenübergang in Betracht.

Es wurde experimentell nachgewiesen, daß der Stromfluß in der SL-Schicht durch eine Spannung am Gate sehr effektiv gesteuert werden kann. Die Fig. 2 zeigt eine typische Kennlinie des Elementes. Man erkennt daraus, daß der kritische Strom der SL-Bahn von 40 mA durch ein Gatesignal vollständig un­ terdrückt wird, d. h. es findet ein kompletter Übergang vom supraleitenden Zu­ stand in den normal leitenden Zustand statt. Der gleichzeitig über das Gate (Kontaktfläche 10 µm × 10 µm) fließende Steuerstrom liegt dabei um 100 µA, jedoch ist schon bei wenigen µA Gatestrom ein Einfluß auf die kritische Stromdichte im Supraleiter zu beobachten.

Beim Vergleich des erfindungsgemäßen Bauelementes mit aus der Literatur bekannten Systemen ist zunächst an Strukturen zu denken, bei denen in einem ähnlichen Schichtaufbau hochenergetische Quasiteilchen in den Supraleiter eingebracht werden, die dessen Transporteigenschaften verändern (T. Kobayashi, K. Hashimoto, U. Kabasawa, M. Tonouchi: Three Terminal YBaCuO Josephson Device with Quasi-Particle Injection Gate; IEEE Transactions on Magnetics 25, 927-930 (1989), K. Takeuchi, Y. Okabe: Injection Controlled Superconducting Links; Jpn. J. Appl. Phys. 28, 1810-1815 (1989)). Die Kennlinien solcher Strukturen erscheinen zunächst qualitativ ähnlich zu denen des erfindungsgemäßen Bauelementes, doch sind dort zum Schalten des Su­ praleiters wesentlich höhere Ströme nötig, was auf dem unterschiedlichen Wir­ kungsmechanismus beruhen dürfte. Definiert man, wie in der Literatur üblich, einen Stromverstärkungsfaktor als Quotient (ggf. differentiell) aus geschalte­ tem kritischem Strom im Supraleiter zu injiziertem Gatestrom, so erreichen die in der Literatur beschriebenen Systeme Werte um 1 bis 10, während mit dem neuen Element Verstärkungsfaktoren nach dieser Definition von 100 bis 1000 erreicht wurden.

Ähnliche Strukturen werden auch zur Untersuchung von Feldeffekten an SL- Schichten eingesetzt. IBM (J. Mannhart, J. G. Bednorz, K. A. Müller, D. G. Schlom: Electric Field Effect on Superconducting YBa₂Cu₃O_{7- ∂} Films; Z. Phys. B - Condensed Matter 83, 307-311 (1991)) berichtet von Strukturen mit etwa 160 nm Isolator­ dicke, welche mit Gatespannungen im Bereich von 30 Volt betrieben werden. Unter dem Einfluß dieser Feldstärke wird im Supraleiter eine Widerstandsän­ derung um 1% beobachtet. Obwohl in dieser Anordnung ein sehr geringer Ga­ testrom zu registrieren ist, hat er keinen Einfluß auf den Suprastrom und ist für den Steuermechanismus nicht relevant. Der Effekt ist größer, wenn an supra­ leitenden Weak Links gearbeitet wird. Nebenbei sei erwähnt, daß reine Feldef­ fekt-Elemente dieser Art auch von der Halbleitertechnik her bekannt sind und dort ebenfalls mit MIS (dort: metal-isolator-semiconductor) bezeichnet werden.

Eine nähere Untersuchung der Kennlinien des neuen MIS-Transistors zeigt deutlicher die Unterschiede zu schon bekannten Bauelementen auf. So ist aus der Fig. 2 auch deutlich die Kopplung zwischen kritischem Strom und Injek­ torstrom zu erkennen, d. h. der SLINL-Übergang setzt genau bei der Gatespan­ nung ein, bei der auch der Elektronentransfer an der Gateelektrode beginnt. Bei Verwendung anderer Materialien für den Aufbau der Struktur mag die Schwellenspannung variieren - typischerweise in einem Bereich von 0,5 bis 7 Volt -, es bleibt jedoch stets der gezeigte Zusammenhang zwischen Injektor­ strom und kritischem Strom erhalten. Daraus können eindeutig folgende Schlußfolgerungen gezogen werden:

• - Das erfindungsgemäße Bauelement beruht nicht auf einem reinen Feldef­ fekt, es ist stets notwendigerweise ein Stromfluß am Gate, bzw. ein Injekti­ onseffekt vorhanden.
• - Andererseits ist der Effekt nicht durch die reine Stromeinleitung erklärbar. Wird nämlich bei der Herstellung des Elements die Isolatorschicht wegge­ lassen und über das Gate ein Injektorstrom gleicher Größenordnung direkt in den Supraleiter eingeleitet, bleibt der dargestellte Schalteffekt völlig aus.
• - Der Gatestrom, der für einen meßbaren Effekt im Supraleiter benötigt wird, ist so klein, daß die direkte Wirkung von hochenergetischen Quasiteilchen im Supraleiter zur Erklärung ausscheidet. Ähnliches gilt für thermische Ef­ fekte.

Der innere, physikalische Wirkungsmechanismus des neuen MIS-Elementes ist noch nicht in allen Einzelheiten geklärt. Die überzeugendste Interpretation sagt jedoch aus, daß der durch Aufnahme von Elektronen in der Isolatorschicht erzeugte Übergang in den metallischen Zustand einen Proximity-Effekt in der angrenzenden SL-Schicht bewirkt. Der Proximity-Effekt führt zu einer Reduzierung der Energielücke der supraleitenden Elektronen, was eine Er­ niedrigung der kritischen Übergangstemperatur zur Folge hat. Eine weitere Auswirkung des Übergangs in der Konversionsschicht könnte darin bestehen, daß der Supraleiter an der Kontaktfläche zur Änderung seiner Oberflä­ chenenergie gezwungen wird, was eine Reduzierung der Pinningkraft zur Folge hat. Dies wiederum reduziert die maximale supraleitende Stromdichte. Wahr­ scheinlich sind sogar beide Effekte für den Steuereffekt verantwortlich; ein Hinweis darauf läßt sich beispielsweise aus der Fig. 3 entnehmen (kritischer Strom als Funktion des Injektorstromes), in der zu erkennen ist, daß offensicht­ lich zwei Vorgänge mit unterschiedlicher Aktivierungsenergie beteiligt sind. Dagegen scheint die Elektroneneinleitung in den Supraleiter selbst keinen oder nur einen untergeordneten Einfluß auf den Steuervorgang zu haben. Weitere experimentelle Untersuchungen zur funktionalen Abhängigkeit des Schaltverhaltens, z. B. durch Variation der Temperatur (Fig. 4), durch Verwendung verschiedener Materialien und Schichtdicken oder durch Anwendung eines äußeren Magnetfeldes wurden durchgeführt und bestätigen die gegebene Interpretation.

Das erfindungsgemäße Bauelement eignet sich grundsätzlich für jeden Supra­ leitertyp, allerdings müssen Konversionsschicht und Gateelektrode in der Wahl der Materialien sowie der entsprechenden Schichtdicken sorgfältig aufeinander abgestimmt werden. Die Schichtdicke der Konversionsschicht sollte vorteilhaf­ terweise in der Größenordnung der freien Weglänge der Injektionselektronen liegen, also bei etwa 5 bis 20 nm, jedenfalls größer als die Schichtdicke von Tunnelbarrieren und kleiner als die Dicke hochohmiger Gateoxide. Die Schichtdicke des Supraleiters ist im Hinblick auf den Schalteffekt möglichst gering einzustellen und richtet sich im übrigen nach der geforderten Stromtrag­ fähigkeit im supraleitenden und normalleitenden Zustand. Die zulässige maxi­ male SL-Schichtdicke hängt, wie vom Proximity-Effekt her bekannt, haupt­ sächlich von der Kohärenzlänge ab. Typische Werte liegen je nach SL-Typ zwischen 1 und 100 nm. Im Experiment wurde bisher für den Supraleiter das Element Niob und für die Konversionsschicht Nioboxid NbOx verwendet. Letzteres sollte sich auch für andere NTSL wie Blei, Aluminium etc. eignen. Verwendet man für die Konversionsschicht Vertreter der oben erwähnten Materialklasse mit einem Isolator-Metall-Phasenübergang, so ist zu beachten, daß die Übergangstemperatur oberhalb der Betriebstemperatur des Supraleiters liegen muß. Für HTSL wie YBa₂Cu₃O₇ sind daher beispielsweise Vanadiumoxid V₂O₃ (Übergang bei 150 K), NiS (250 K) oder Ti₂O₃ (<300 k) attraktiv.

Die elektronischen Eigenschaften des Elementes in Verbindung mit seinem einfachen Aufbau bieten sehr vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten. Zwar besteht ein Teil der Struktur - die Gateelektrode - aus normalleitendem Metall, jedoch können dessen Zuleitungen mit genügender Schichtdicke und mit klei­ nen Längen ausgeführt und die darin hervorgerufenen ohmschen Verluste ver­ nachlässigbar klein gehalten werden. Für NTSL-Schaltungen kann die Gate­ elektrode ebenfalls aus supraleitendem Material bestehen, so daß eine SIS- Struktur entsteht. Im Hinblick auf HTSL-Schaltungen ist die MIS-Struktur sehr vorteilhaft, da sie die oben erwähnten technologischen Probleme der Herstel­ lung von supraleitenden Multilagen umgeht.

Anwendungen des neuen Bauelementes liegen zunächst überall dort, wo es als Substitut für Halbleiter-Transistoren eingesetzt werden kann, so in Hybrid­ schaltungen aus Supraleitern und Halbleitern, die z. B. bei 77 K betrieben wer­ den, oder in rein supraleitenden elektronischen Schaltungen mit Betrieb ggf. auch bei Heliumtemperatur (4,2 K). Die konkrete Beschaltung ist dabei natür­ lich dem Kennlinienfeld des neuen Elementes so anzupassen, daß seine Schalt-, Steuer- und Verstärkungsfunktion optimal genutzt werden kann.

Betrachtet man die Kennlinie in Fig. 3, so wird deutlich, daß daneben auch die dosierte Veränderung der Transporteigenschaften des supraleitenden Streifens für spezielle Anwendungen interessant werden kann. Hier ist besonders an Hochfrequenz-Bauelemente zu denken, bei denen die vorteilhaften HF-Eigenschaften der Supraleiter genutzt werden. So könnte bei einem bereits demonstrierten supraleitenden Bauelement wie einem Hochfrequenz-Resonator die Güte durch Beeinflussung eines Teils der Leiterbahn gesteuert werden. Andere, weiterführende Ansätze betreffen auch neuartige supraleitende HF-Bauelemente wie z. B. einen Phasenschieber, dessen Funktion auf der Änderung der kinetischen Induktivität eines Leiterstücks beruht, oder einen Oszillator mit dem neuen MIS-Element in der Rückkoppelschleife.

Claims (9)

1. Mikroelektronisches Dünnfilm-Bauelement, dadurch gekennzeichnet, daß eine dünne supraleitende Schicht in Kontakt mit einer dünnen, zunächst quasi-isolierenden Schicht (Konversionsschicht) gebracht wird, daß in der Konversionsschicht durch Stromfluß aus einer angrenzenden Metallelek­ trode (Gate) eine Erhöhung der Leitfähigkeit um mehrere Größenordnungen induziert wird und daß damit die Stromtragfähigkeit bzw. Impedanz der Su­ praleiterbahn gesteuert wird.

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhung der Leitfähigkeit durch einen Phasenübergang Nichtmetall/Metall in der Konversionsschicht verursacht wird.

3. Bauelement nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Konversionsschicht Verbindungen der Übergangsmetalle eingesetzt werden, welche oberhalb der Sprungtemperatur des eingesetzten Supralei­ ters einen ausgeprägten Phasenwechsel mit starker elektronischer Leitfä­ higkeits-Änderung zeigen.

4. Bauelement nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gateelektrode ebenfalls aus einem supraleitenden Mate­ rial besteht.

5. Bauelement nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zu steuernde Supraleiterbahn auf der äußeren Grenzflä­ che (der vom Gate abgewandten Seite) im Kontaktbereich mit einer dünnen Metallschicht abgeschlossen wird.

6. Bauelement nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Konversionsschicht bevorzugt in einer Schichtdicke zwi­ schen 5 und 20 nm und die Dicke der Supraleiterschicht bevorzugt in der Größenordnung der Kohärenzlänge des verwendeten Supraleiters ausge­ führt wird.

7. Bauelement nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß es als aktives steuerbares Element in kryoelektronischen Schaltungen auf der Basis von Supraleitern, Halbleitern oder in SL/HL-Hy­ bridmodulen eingesetzt wird, darin inbegriffen die Verwendung in monolithisch integrierten Schaltungen zusammen mit supraleitenden oder halbleitenden Bauelementen.

8. Bauelement nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Möglichkeit der Veränderung der Transporteigenschaften in der supraleitenden Schicht durch Beschaltung des Gates zur Verwendung des Elementes als Verstärker oder Schalter, in Analogie zum halbleitenden Transistor, benutzt wird.

9. Bauelement nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Möglichkeit der Veränderung der Transporteigenschaften in der supraleitenden Schicht durch Beschaltung des Gates zur Verwendung des Elementes als Teilstück von Hochfrequenz-Bauelementen wie z. B. ei­ nes Resonators mit einstellbarer Güte, eines Phasenschiebers oder eines Oszillators mit einstellbarer Betriebsfrequenz genutzt wird.